基于LabVIEW及聲卡的工程裝備噪聲測量系統設計

徐肖攀，周建釗

（中國人民解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京 210007）

0 引言

現代工程裝備往往工作在高溫、潮濕、振動、噪聲和灰塵等極為惡劣的環境中，駕駛操作人員健康受到極大的影響。因此用戶對現代工程機械設備的舒適性等方面提出越來越高的要求。對于軍用工程裝備而言，噪聲對操作人員的影響是工程裝備舒適性的一個重要指標。如何能夠準確方便地測量和分析工程裝備的噪聲特性，是工程機械狀態監測與控制研究的內容之一。本文提出了一種經濟方便的工程機械噪聲測量方案，采用高精度、高兼容性、高可靠性和低成本的聲音數據采集卡進行噪聲測量，噪聲的處理與分析則應用了虛擬儀器技術和LabVIEW圖形化軟件。該方案在實際應用中效果很好，充分滿足了工程機械噪聲測量的需求。

1 虛擬儀器及LabVIEW

虛擬儀器（virtual instrument，VI）這一概念是由美國國家儀器公司（National Instrument Corp）于1986年提出，認為“軟件即儀器”［1］。它的提出徹底打破了傳統儀器的概念，引發儀器設計及控制檢測領域的一場重大變革［2］。虛擬儀器是指用戶借助通用的計算機平臺，根據實際需求定義并設計儀器功能，通過I/O接口設備進行信號采集、測試和調理，并通過計算機軟件進行數據運算、分析、處理，將結果顯示出來，從而實現各種測試功能的智能化儀器系統。從構成來看，它一般包括三個組成部分:計算機、軟件以及硬件設備。硬件設備主要包括各種I/O接口設備，用于待測信號的采集、放大、濾波、A/D或D/A轉換等。軟件系統主要由VI應用程序和接口設備的相關驅動程序組成，用于數據分析、處理［1］。

LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）設計研發的虛擬儀器設計軟件，圖形化的編程環境使它更為直觀，操作性更強［4］。它融合信號采集、測量分析、數據顯示等功能于一體，使儀器控制、數據采集、測量分析、仿真模擬等操作過程更加簡便。由于LabVIEW采用圖形化編程方法，因此它又被稱為G編程語言（graphical programming language），應用它開發的程序被稱為虛擬儀器。

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2 數據采集設備

2.1 數據采集

隨著虛擬儀器技術、計算機技術和測試技術的飛速發展，數據采集越來越重要。為此，美國NI公司推出Lab-VIEW的同時，也推出了一系列數據采集卡（DAQ）及相關驅動程序，配合LabVIEW編寫的虛擬儀器應用程序進行數據的采集、測量和處理。當采用DAQ卡測量模擬信號時，必須考慮到以下因素:信號數據的輸入模式、分辨率、輸入范圍、采樣頻率、采樣精度、噪聲等。如果不滿足DAQ卡的測量要求，一般要設計相應的信號調理電路，對信號進行預處理。LabVIEW的數據采集系統總體結構如圖1所示。

聲卡采集系統主要由信號源、音頻輸入設備、信號調理、計算機聲卡以及通過LabVIEW設計的VI應用程序組成，系統結構框圖如圖2所示。信號源產生的待測信號通過音頻輸入設備進行傳遞，經由濾波、放大等信號調理電路進行信號調理，通過Line In端口輸入聲卡。在聲卡芯片中，Line In端采集的音頻信號經過A/D轉換器，將模擬信號轉換為數字信號之后，進行數字信號處理，然后輸入計算機或工作站。通過VI應用程序對信號進行存儲、波形顯示和頻譜分析等處理。

圖1 LabVIEW數據采集系統總體結構圖

2.2 聲卡

聲卡只適合采集頻域信號，對于非頻域信號如熱、壓力、位移等必須先經過信號調理，使其轉換為頻域信號，繼而輸入到聲卡中。

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LabVIEW內置了許多與聲卡數據采集有關的函數節點，能夠滿足編程人員的各種需要［5］。由于音頻信號通過Line In接口輸入聲卡，信號中可能存在一定的弱噪聲干擾。除了在音頻輸入設備和Line In接口之間設置信號調理如濾波器以外，還可以在LabVIEW編程中使用“濾波器”函數節點，對噪聲信號進一步濾除，使所采集的信號更加精確、準確。“寫入”多態函數節點的作用是將采集到的音頻信號保存在“文件路徑”節點所指定的存儲位置，以備后續分析。程序框圖如圖3所示。

3 系統設計

3.1 總體設計

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3.2 噪聲信號及輸入設備

圖2 噪聲采集系統框圖

由于美國NI公司開發的一系列數據采集卡價格高昂，一些第三方公司如阿爾泰科技有限公司開發的基于USB接口的數據采集卡價格昂貴且兼容性和穩定性不高。因此，本課題使用計算機內置的聲卡作為音頻信號采集卡。利用聲卡作為DAQ卡進行數據采集，具有16位量化精度、良好的兼容性、性能穩定、靈活通用、價格低廉等優點。

連接好電路、音筒控制器，將音頻輸入線接入Line In端口，設置數據存儲名稱、格式以及存儲路徑。開啟電源，啟動程序。通過信號源不斷發出聲音信號，系統開始不斷進行音頻數據采集、分析，前面板上的“波形圖”控件實時顯示出聲音信號的波形，“功率譜密度”控件實時顯示對于采集的分析結果，如圖4所示。

3.3 LabVIEW程序編輯

普通聲卡具有“Line In”，“Mic In”等輸入端口和“Line Out”，“Spk Out”等輸出端口。“Line In”和“Mic In”的區別在于:前者的輸入信號強度高，可接入的幅值不超過1 V，而后者的輸入信號強度低，幅值大約在0.02～0.2 V之間。聲卡使用直接內存讀取方式傳送數據，極大減少了CPU占用率［3］。此外，它還可以實現音頻信號雙通道16位、高保真采集，最高采樣頻率達到44.1 kHz，具有較高的精度和較大的被測信號可采樣頻率范圍。

圖3 噪聲測量系統程序框圖

4 系統測試與實用性分析

4.1 系統測試

在實驗室為模擬信號源，將實驗設備東風康明斯（DEEC）發動機開啟，不斷產生聲音信號。通過音筒以及信號調理電路對信號進行濾波，然后通過與Line In端口相連的數據線，音頻信號被不斷輸入到聲卡之中。由于Line In信道存在弱噪聲信號干擾。因此，濾波器非常必要。

圖4 程序運行以及數據采集、分析圖

在波形圖和功率譜密度圖中，①波形曲線為原始采樣信號，②波形曲線表示使用LabVIEW“濾波器”節點進行數據處理以后所得到的信號。相比之下，濾除噪聲信號之后的波形更加平滑流暢。所采集的聲音信號會被實時地寫入“D:DocumentsDesktopmytest est.wav”文件中加以存儲，以備以后重復調用、分析。

4.2 實用性分析

聲卡的采樣頻率可分為:44.1 kHz，22.05 kHz，11.02 kHz，8 kHz［6］。根據 Nyquist采樣定理 fs.max≥2fmax，當采樣頻率大于信號最高頻率的2倍以上時，采集的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。在實際應用中，為保證采樣信號不失真，采樣頻率fs.max一般為信號最高頻率fmax的5～10倍。因此，聲卡的采樣頻率決定了被測信號的最高頻率范圍。對于最高頻率＜15 kHz的音頻信號，此數據采集系統表現良好。因此，在故障檢測中對于一般的振動及噪聲信號，此系統表現出色。但是，對于最高頻率超過20 kHz的高頻振動或噪聲信號，此系統有待進一步改進以滿足準確性要求。

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5 結語

本系統采用聲卡作為數據采集卡，結合LabVIEW圖形化編程軟件，構造了一個簡潔的噪聲測量系統。通過反復模擬實驗，該系統能夠快速、實時、準確地對軍用工程裝備噪聲進行采集、存儲，并在此基礎上對信號進行時域和頻域分析，充分滿足了工程機械噪聲測量的需求。此外，聲卡作為數據采集卡，不僅具有高采樣精度、高兼容性和高可靠性，還可有效降低測試裝置的復雜性和成本，具有良好的綜合性能。這種化繁為簡、充分利用計算機硬件設備的設計思路和設計方法，使工程裝備故障檢測系統更加簡潔、測試過程更加自動化和智能化，測試效率更高，具有良好的探討及應用價值，為今后構建低成本高效率的信號檢測系統提供了一個良好的范式和參考。

［1］零點工作室，劉剛，王立香，等.LabVIEW 8.20編程及應用［M］.北京:電子工業出版社，2008.

［2］黃進文.虛擬儀器新技術及其在我國的發展現狀和展望［J］.科技創新導報，2008，（31）:8-10.

［3］王紅艷.基于計算機聲卡的虛擬儀器開發研究［J］.現代商貿工業，2008，（5）:303-304.

［4］高占鳳，杜彥良.基于LabVIEW的遠程數據采集與傳輸系統［J］.微電子學與計算機，2007，（3）:1022104.

［5］孫秋野，柳昂，王云爽.LabVIEW 8.5快速入門與提高［M］.西安:西安交通大學出版社，2009.

［6］趙郁聰，張麗娜.基于聲卡及LabVIEW軟件的蠕變特性測試系統設計［J］.包裝工程，2011，（19）:82-84.

［7］Zhao Hongyu，Xu Chunyan，Li Yimin.Application of virtual instrument in vehicle detection system［C］.2011 International Conference on Mechatronic Science，Electric Engineering and Computer.China.2011（8）:442-445.

［8］ José Luis March，Julio Sahuquillo，Houcine Hassan，Salvador Petit，et al.Extending a multicore multithread simulator to model power-aware hard real-time system［J］.Lecture Notes of Computer Science，2010，6082:444-453.